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ALUNO:________________________________________________________________
DISCIPLINA: FÍSICA I PROFESSOR: EDSON JOSÉ
Lista de exercícios 21
1. Defina e explique o ciclo de Carnot.
2. (Mackenzie-SP) A importância do ciclo de Carnot reside no fato de ser:
a) o ciclo da maioria dos motores térmicos. b) o ciclo de rendimento igual a 100%.
c) o ciclo que determina o máximo rendimento que um motor térmico pode ter entre duas dadas temperaturas.
d) o ciclo de rendimento maior que 100%.
3. Calcule o trabalho realizado pelo motor de geladeira que retira 1.000 cal do congelador e joga no ambiente 1.200 cal.
4. Qual é o rendimento máximo de uma máquina térmica que opera entre a temperatura de 27 0C e 227 0C? (Dica: para usar
a equação de rendimento, a temperatura deve estar em Kelvin)
5. Um motor térmico realiza 20 ciclos por segundo. A cada segundo, ele retira 800 J da fonte quente e cede 500 J à fonte fria. Calcule:
a) o rendimento de cada ciclo;
b) a temperatura da fonte quente, sabendo que a fonte fria está a 27 0C.
6. (UFLA MG/2009) O esquema simplificado abaixo
representa um motor térmico. Considere o calor absorvido do reservatório quente Q14104joules a cada segundo e o rendimento desse motor igual a 40% do rendimento de um motor de CARNOT, operando entre os mesmos reservatórios T1 e T2. Pode‐se afirmar que a potência do referido motor é:
a) 30 kW
b) 18 kW
c) 12 kW
d) 16 kW
7. (UFC-CE) A figura ao lado mostra um "ciclo de Carnot", representado no diagrama pV. Se no trecho bc, desse ciclo, o sistema fornece 60 J de trabalho ao meio externo, então é verdade que,nesse trecho:
a) o sistema recebe 60 J de calor e sua energia interna diminui. b) o sistema recebe 60 J de calor e sua energia interna não varia. c) o sistema rejeita 60 J de calor e sua energia interna não varia. d) não há troca de calor e sua energia interna aumenta de 60 J. e) não há troca de calor e sua energia interna diminui de 60 J. 8. (UFRN) As máquinas térmicas transformam a energia
interna de um combustível em energia mecânica. De acordo com a 2a Lei da Termodinâmica, não é possível construir uma máquina
térmica que transforme toda a energia interna do combustível em trabalho, isto é, uma máquina de rendimento igual a 1 ou equivalente a 100%. 1 2
1
T
T
O cientista francês Sadi Carnot (1796-1832) provou que o rendimento máximo obtido por uma máquina térmica operando entre as temperaturas T1 (fonte quente) e T2 (fonte fria) é dado por
Com base nessas informações, é correto afirmar que o rendimento da máquina térmica não pode ser igual a 1 porque, para isso, ela deveria operar
A) entre duas fontes à mesma temperatura, T1=T2, no zero
absoluto.
B) entre uma fonte quente a uma temperatura, T1, e uma fonte fria
à temperatura T2 = 0 oC.
C) entre duas fontes à mesma temperatura, T1=T2, diferente do
zero absoluto.
D) entre uma fonte quente a uma temperatura, T1, e uma fonte fria
à temperatura T2 = 0 K.
9. Em um refrigerador ideal, o dissipador de calor (serpentina traseira) transferiu 5,0.105 J de energia térmica para o
meio ambiente, enquanto o compressor produziu 1,0.105 J de
2 IFRN
Calcule:a) a quantidade de calor retirada da câmara interna;
b) a temperatura da câmara interna, supondo que a temperatura ambiente tosse 30 C.
c) a eficiência do refrigerador.
10. (UFRN) Num dia quente de verão, sem vento, com a
temperatura ambiente na marca dos 38oC, Seu Onório teria de
permanecer bastante tempo na cozinha de sua casa. Para não sentir tanto calor, resolveu deixar a porta do refrigerador aberta, no intuito de esfriar a cozinha. A temperatura no interior da geladeira é de aproximadamente 0oC.
A análise dessa situação permite dizer que o objetivo de Seu Onório
A) será alcançado, pois o refrigerador vai fazer o mesmo papel de um condicionador de ar, diminuindo a temperatura da cozinha. B) não será atingido, pois o refrigerador vai transferir calor da cozinha para a própria cozinha, e isso não constitui um processo de refrigeração.
C) será alcançado, pois, atingido o equilíbrio térmico, a cozinha terá sua temperatura reduzida para 19oC.
D) não será atingido, pois, com a porta do refrigerador aberta, tanto a cozinha como o próprio refrigerador terão suas temperaturas elevadas, ao receberem calor de Seu Onório.
11. (UFRN) Professor Jaulito mora à beira de um precipício de 100 m de desnível. Ele resolveu, então, tirar vantagem de tal desnível para tomar água gelada. Para tal, enrolou uma corda na polia do compressor de um pequeno refrigerador, passou-a por uma roldana, amarrou, na outra extremidade da corda, uma pedra de massa 10 kg e jogou-a precipício abaixo, conforme representado na figura.
Com esse experimento, Professor Jaulito consegue resfriar 50 g de água, que estava inicialmente a 25o C, para 5o C.
Suponha-se que
· todo o trabalho realizado pelo peso da pedra na queda é convertido em trabalho no compressor;
· a eficiência do refrigerador é de 40%; · o calor específico da água é 1 cal/goC;
· o valor da aceleração da gravidade no local é 10 m/s2;
· todas as forças resistivas são desprezíveis. Com base no exposto, atenda às solicitações abaixo.
A) Calcule o trabalho realizado pelo peso da pedra.
B) Calcule a quantidade de calor cedida pelos 50 g de água
durante a queda da pedra.
C) Calcule o equivalente mecânico do calor que se pode obter a
partir dos resultados desse experimento.
12. (Uel 2005) Uma das grandes contribuições para a ciência do século XIX foi a introdução, por Sadi Carnot, em 1824, de uma lei para o rendimento das máquinas térmicas, que veio a se transformar na lei que conhecemos hoje como Segunda Lei da Termodinâmica. Na sua versão original, a afirmação de Carnot era: todas as máquinas térmicas reversíveis ideais, operando entre duas temperaturas, uma maior e outra menor, têm a mesma eficiência, e nenhuma máquina operando entre essas temperaturas pode ter eficiência maior do que uma máquina térmica reversível ideal. Com base no texto e nos conhecimentos sobre o tema, é correto afirmar:
a) A afirmação, como formulada originalmente, vale somente para máquinas a vapor, que eram as únicas que existiam na época de Carnot.
b) A afirmação de Carnot introduziu a idéia de Ciclo de Carnot, que é o ciclo em que operam, ainda hoje, nossas máquinas térmicas. c) A afirmação de Carnot sobre máquinas térmicas pode ser encarada como uma outra maneira de dizer que há limites para a possibilidade de aprimoramento técnico, sendo impossível obter uma máquina com rendimento maior do que a de uma máquina térmica ideal.
d) A afirmação de Carnot introduziu a idéia de Ciclo de Carnot, que veio a ser o ciclo em que operam, ainda hoje, nossos motores elétricos.
e) Carnot viveu em uma época em que o progresso técnico era muito lento, e sua afirmação é hoje desprovida de sentido, pois o progresso técnico é ilimitado.
13. (Ueg 2006) A figura a seguir mostra um ciclo de Carnot, usando como substância-trabalho um gás ideal dentro de um cilindro com um pistão. Ele consiste de quatro etapas.
3 IFRN
De acordo com a figura, é INCORRETO afirmar:a) De a para b, o gás expande-se isotermicamente na temperatura TH, absorvendo calor QH.
b) De b para c, o gás expande-se adiabaticamente até que sua temperatura cai para Tc.
c) De d para a, o gás é comprimido isovolumetricamente até que sua temperatura cai para Tc.
d) De c para d, o gás é comprimido isotermicamente.
14. (UFRGS/2007) A cada ciclo, uma máquina térmica extrai
45 kJ de calor da sua fonte quente e descarrega 36 kJ de calor na sua fonte fria. O rendimento máximo que essa máquina pode ter é de a) 20% b) 25% c) 75% d) 80% e) 100%
15. (UFSM/2007) Um condicionador de ar, funcionando no
verão, durante certo intervalo de tempo, consome 1.600 cal de energia elétrica, retira certa quantidade de energia do ambiente que está sendo climatizado e rejeita 2.400 cal para o exterior. A eficiência desse condicionador de ar é
a) 0,33
b) 0,50
c) 0,63
d) 1,50
e) 2,00
16. (UNIFOR CE/2007) Uma máquina térmica opera
segundo o ciclo de Carnot entre duas fontes térmicas cujas temperaturas são –23 °C e 227 °C.
Se, em cada ciclo, a máquina rejeita para a fonte fria 24 calorias, o trabalho que ela realiza, por ciclo, em calorias, vale
a) 48
b) 36
c) 24
d) 12
e) 6,0
17. (UFPI/2006) Um motor de combustão foi projetado de tal
forma que é capaz de realizar, em alguns ciclos, um trabalho de 200J , retirando 2000J de calor de uma fonte quente e transferindo 1800J para uma fonte fria, conforme o diagrama apresentado a seguir.
As temperaturas das fontes fria e quente valem 300K e 600K, respectivamente. Calculando a eficiência desse motor e comparando-a com a eficiência de uma máquina de Carnot, que opera entre essas mesmas duas fontes térmicas, podemos afirmar que a eficiência dessa máquina é de:
a) 90% e é físicamente impossível, pois se encontra acima da eficiência de uma máquina de Carnot;
b) 90% e está abaixo da eficiência de uma máquina de Carnot;
c) 20% e é físicamente impossível, pois se encontra acima da eficiência de uma máquina de Carnot;
d) 20% e está abaixo da eficiência de uma máquina de Carnot;
e) 10% e está abaixo da eficiência de uma máquina de Carnot.
18. (UFAM/2006) Um Físico, buscando economizar
combustível construiu uma máquina térmica que em cada ciclo absorve 5000 Joules da fonte quente a uma temperatura de 600 K e, rejeita 3000 Joules para a fonte fria. Sabendo que a maquina térmica tem um desempenho de 80% da máquina de Carnot, a temperatura da fonte fria vale:
a) 120 K b) 300 K c) 480 K d) 200 K e) 400 K
19. (FURG RS/2006) O funcionamento dos refrigeradores se
baseia no seguinte fato:
a) A densidade do gelo é menor do que a da água líquida. b) A compressão de vapor liberta calor.
c) Ar quente é mais rarefeito que o ar frio sob a mesma pressão.
d) O calor de fusão do gelo é 80 cal/g. e) A vaporização exige calor.
20. Enuncie a segunda Lei da Termodinâmica
21. (UFV) Um folheto explicativo sobre uma máquina térmica afirma que ela, ao receber 1000 cal de uma fonte quente, realiza 4186 J de trabalho. Sabendo que 1 cal eqüivale a 4,186 J e com base nos dados fornecidos, pode-se afirmar que esta máquina: a) viola a 1a. Lei da termodinâmica.
b) possui um rendimento nulo. c) viola a 2a Lei da termodinâmica.
d) possui um rendimento de 10%.
4 IFRN
22. (UFV-MG) De acordo com a segunda lei da Termodinâmica, a entropia do Universo:
a) não pode ser criada nem destruída. b) acabará transformada em energia. c) tende a aumentar com o tempo. d) tende a diminuir com o tempo.
23. (UFRN) As transformações termodinâmicas ilustradas no
diagrama PV da figura ao lado constituem o modelo idealizado do ciclo Otto, utilizado em motores de combustão interna de automóveis a gasolina. No diagrama, P representa a pressão na câmara de combustão, e V o volume da câmara.
Suponha que, na transformação b → c , 200 J de calor sejam fornecidos a partir da queima da mistura ar-gasolina contida na câmara de combustão e que 80 J de calor tenham sido liberados, durante a exaustão, na transformação d → a .
Dados:
No ciclo Oto, é possível ocorrerem os seguintes tipos de transformações: transformações isovolumétricas, expansão adiabática e compressão adiabática.
Primeira lei da Termodinâmica: ΔU = Q – W, onde ΔU é a variação da energia interna do sistema, Q é o calor total trocado pelo sistema, e W é o trabalho total realizado.
A partir dessas informações,
A) identifique as transformações que ocorrem entre os estados (a
→ b), (b → c), (c → d) e (d → a).
B) determine o trabalho realizado no ciclo Otto completo.
24. (UFPR/2008) Os estudos científicos desenvolvidos pelo
engenheiro francês Nicolas Sadi Carnot (1796–1832) na tentativa de melhorar o rendimento de máquinas térmicas serviram de base para a formulação da segunda lei da termodinâmica.
Acerca do tema, considere as seguintes afirmativas:
1. O rendimento de uma máquina térmica é a razão entre o trabalho realizado pela máquina num ciclo e o calor retirado do reservatório quente nesse ciclo.
2. Os refrigeradores são máquinas térmicas que transferem calor de um sistema de menor temperatura para outro a uma temperatura mais elevada.
3. É possível construir uma máquina, que opera em ciclos, cujo único efeito seja retirar calor de uma fonte e transformá-lo integralmente em trabalho.
Assinale a alternativa correta.
a) Somente as afirmativas 1 e 3 são verdadeiras. b) Somente a afirmativa 1 é verdadeira.
c) Somente a afirmativa 2 é verdadeira.
d) Somente as afirmativas 1 e 2 são verdadeiras. e) Somente as afirmativas 2 e 3 são verdadeiras.
25. (UNIMONTES MG/2005) Uma máquina frigorífica ideal,
que utiliza o ciclo de Carnot, possui um compressor que realiza, em cada ciclo, trabalho igual a 3,7 ×104 J. Em seu funcionamento,
a máquina toma calor de uma fonte térmica a –10ºC e cede calor a outra fonte térmica a 17ºC.
Dado: trabalho realizado pelo compressor fria fonte da retirado calor e
a) Qual a eficiência e da máquina, em cada ciclo?
b) Qual a quantidade de calor que se toma da fonte fria, a cada ciclo?
c) Qual a quantidade de calor cedido à fonte quente, a cada ciclo?
26. Defina entropia.
27. (UFRN-05) Observe atentamente o processo físico
representado na seqüência de figuras a seguir.
Considere, para efeito de análise, que a casinha e a bomba constituem um sistema físico fechado.
Note que tal processo é iniciado na figura 1 e é concluído na figura 3.
Pode-se afirmar que, no final dessa seqüência, a ordem do sistema é
a) maior que no início e, portanto, durante o processo representado, a entropia do sistema diminui.
b) maior que no início e, portanto, durante o processo representado, a entropia do sistema aumentou.
c) menor que no início e, portanto, o processo representado é reversível.
d) menor que no início e, portanto, o processo representado é irreversível
28. (UFBA) De acordo com a Teoria da Termodinâmica, é correto afirmar:
a) O calor só pode fluir de um corpo a outro de menor temperatura. b) O Princípio da Conservação da Energia é válido para qualquer sistema físico isolado.
c) Uma máquina térmica transforma integralmente calor em trabalho.
d) A variação da entropia corresponde à variação da energia útil do sistema.
e) Todos os processos naturais irreversíveis acarretam aumento na indisponibilidade de energia.
5 IFRN
29. (UFRN) O refrigerador é um dos utensílios
eletrodomésticos mais presentes na vida moderna.
Desde sua invenção, hábitos de consumo vêm se modificando, em grande parte, devido a sua capacidade de armazenar alimentos por longos períodos. Sendo uma máquina térmica, um refrigerador opera em ciclos.
Na figura abaixo, está ilustrado, num diagrama T-S, o ciclo (dcbad) realizado por um refrigerador de Carnot. Imagine um refrigerador operando nesse ciclo, com temperatura interna T2 = - 3 0C (270K)
num ambiente à temperatura T1 = 27 °C (300K).
Admita que, em cada ciclo, uma quantidade de energia (calor) Q2
= 270 J é retirada do interior desse refrigerador. Para esse ciclo, considere:
Com base no exposto, atenda às solicitações abaixo. A) Determine a variação de entropia em um ciclo.
B) Calcule a quantidade de energia (calor) Q1 liberada para o
ambiente em cada ciclo.
C) Obtenha o coeficiente de performance (e) desse refrigerador.
30. (Unicamp 2001) Com a instalação do gasoduto Brasil-Bolívia, a quota de participação do gás natural na geração de energia elétrica no Brasil será significativamente ampliada. Ao se queimar 1,0kg de gás natural obtém-se 5,0×107J de calor, parte do
qual pode ser convertido em trabalho em uma usina termoelétrica. Considere uma usina queimando 7200 quilogramas de gás natural por hora, a uma temperatura de 1227°C. O calor não aproveitado na produção de trabalho é cedido para um rio de vazão 5000 l/s, cujas águas estão inicialmente a 27°C. A maior eficiência teórica da conversão de calor em trabalho é dada por
n = 1 - (Tmin/Tmáx),
sendo Tmin e Tmáx as temperaturas absolutas das fontes quente e
fria respectivamente, ambas expressas em Kelvin. Considere o calor específico da água
c = 4000 J/kg°C.
a) Determine a potência gerada por uma usina cuja eficiência é metade da máxima teórica.
b) Determine o aumento de temperatura da água do rio ao passar pela usina.
31. Tem-se um volume V1 de um gás monoatômico ideal,
originalmente a uma temperatura de T1 e com pressão P1, que
denominamos de estado 1. Submete-se esse volume de gás a três processos descritos abaixo, todos de forma reversível.
1 → 2 – expansão isotérmica para V2 = 4V1. 2 → 3 – compressão isobárica.
3 → 1 – compressão adiabática de volta para seu estado inicial.
Com relação à variação da entropia (Δs) em cada transformação citada acima (isotérmica, isobárica e adiabática), a opção correta é A) Δsisotérmica = 0; Δsisobárica < 0; Δsadiabática > 0.
B) Δsisotérmica > 0; Δsisobárica < 0; Δsadiabática = 0.
C) Δsisotérmica > 0; Δsisobárica > 0; Δsadiabática > 0.
D) Δsisotérmica = 0; Δsisobárica > 0; Δsadiabática = 0.
32. (UFV MG/2010) Com relação à variação de entropia S de um sistema isolado, é CORRETO afirmar que:
a) se o processo for irreversível, então, S = 0. b) se o processo for reversível, então, S = 0. c) se o processo for reversível, então, S > 0. d) se o processo for irreversível, então, S < 0.
33. (UESPI/2008) Com respeito à segunda lei da
Termodinâmica, assinale a alternativa incorreta.
a) A entropia de um sistema fechado que sofre um processo irreversível sempre aumenta.
b) A entropia de um sistema fechado que sofre um processo reversível nunca diminui.
c) A entropia de um sistema fechado que sofre um processo cíclico pode se manter constante ou aumentar, mas nunca diminuir.
d) A entropia de um sistema aberto que sofre um processo reversível pode diminuir.
e) A entropia de um sistema aberto que sofre um processo cíclico nunca diminui.
34. (UFOP MG/2008) Com relação à entropia e à segunda
lei da termodinâmica, é incorreto afirmar:
a) Ciclo termodinâmico é um processo em que uma máquina térmica ou um sistema termodinâmico volta a seu estado inicial.
b) Não existe máquina térmica que transforme todo calor de uma fonte em trabalho.
6 IFRN
c) A diluição de uma gota de tinta em um copo de água éum exemplo de processo reversível.
d) Em todo processo isolado irreversível, a entropia total do sistema sempre aumenta.
35. (IME RJ/2007) Considere uma máquina térmica
operando em um ciclo termodinâmico. Esta máquina recebe 300J de uma fonte quente cuja temperatura é de 400K e produz um trabalho de 150J. Ao mesmo tempo, rejeita 150J para uma fonte fria que se encontra a 300K. A análise termodinâmica da máquina térmica descrita revela que o ciclo proposto é um(a):
a) máquina frigorífica na qual tanto a Primeira Lei quanto a Segunda Lei da termodinâmica são violadas.
b) máquina frigorífica na qual a Primeira Lei é atendida, mas a Segunda Lei é violada.
c) motor térmico no qual tanto a Primeira Lei quanto a Segunda Lei da termodinâmica são atendidas.
d) motor térmico no qual a Primeira Lei é violada, mas a Segunda Lei é atendida.
e) motor térmico no qual a Primeira Lei é atendida, mas a Segunda Lei é violada.
36. (UEM PR/2006) Com base na Segunda Lei da
Termodinâmica e na máquina de Carnot, assinale a alternativa correta.
a) Uma máquina térmica bem projetada pode chegar a uma eficiência de 100%.
b) O calor flui naturalmente da fonte fria para a fonte quente.
c) É possível construir uma máquina térmica que converta totalmente o calor em trabalho.
d) Quanto maior a diferença entre a temperatura da fonte fria e a temperatura da fonte quente mais eficiente é uma máquina térmica.
e) Um refrigerador é um exemplo da máquina de Carnot, quando o ciclo segue primeiro o processo isotérmico, depois o processo adiabático e assim por diante até completar o ciclo.
37. (UFRN) No radiador de um carro, a água fica dentro de tubos de metal (canaletas), como na figura abaixo.
Com a ajuda de uma bomba d’água, a água fria do radiador vai para dentro do bloco do motor, circulando ao redor dos cilindros. Na circulação, a água recebe calor da combustão do motor, sofre aumento de temperatura e volta para o radiador; é então resfriada, trocando calor com o ar que flui externamente devido ao
movimento do carro. Quando o carro está parado ou em marcha lenta, um termostato aciona um tipo de ventilador (ventoinha), evitando o superaquecimento da água.
A situação descrita evidencia que, no processo de combustão, parte da energia não foi transformada em trabalho para o carro se mover. Examinando-se as trocas de calor efetuadas, pode-se afirmar:
A) Considerando o motor uma máquina térmica ideal, quanto maior for o calor trocado, maior será o rendimento do motor. B) Considerando o motor uma máquina térmica ideal, quanto menor for o calor trocado, menor será o rendimento do motor. C) Ocorre um aumento da entropia do ar nessas trocas de calor. D) Ocorrem apenas processos reversíveis nessas trocas de calor.
38. (UFRN) A água salobra existente em muitos locais - em algumas cidades no interior do RN, por exemplo - representa um problema para as pessoas, pois sua utilização como água potável só é possível após passar por um processo de dessalinização. Um dispositivo para esse fim (e que utiliza radiação solar) é o destilador solar. Ele é composto basicamente por um reservatório d’água cujo fundo é pintado de preto fosco, por uma cobertura de placas de vidro transparente e por calhas laterais para coletar a água condensada nas placas de vidro, conforme ilustrado na figura abaixo.
Com base no exposto acima, é correto afirmar:
A) a energia da radiação solar é utilizada para condensação do
vapor de água.
B) o processo de condensação do vapor de água ocorre nas
placas de vidro que estão à mesma temperatura do vapor.
C) a condução térmica não atua no processo de dessalinização da
água.
D) a entropia do vapor de água diminui quando o vapor se
condensa nas placas de vidro.
39. Um cubo de gelo de 100 g a 0 °C é colocado numa banheira com água a 37 °C a pressão atmosférica normal. Admitindo que o gelo absorve calor exclusivamente da água e derrete completamente sem alterar a temperatura da água da banheira, determine:
a) a variação da entropia do gelo durante o processo de fusão: b) a variação da entropia da água nesse mesmo processo; c) a variação total da entropia no processo.
(Dados: calor latente de fusão do gelo: Lf = 3,33 . 105 J/kg;
